3.5.3. Фазовращатели

Фазовращатель представляет собой узел, электрическая длина которого может меняться, изменяя при этом и фазу проходящей через него волны [229, 239, 242]. Фазовращатель сжимного типа [149, 150] состоит из отрезка прямоугольного волновода, по центральным линиям обеих широких стенок которого прорезаны продольные щели; это позволяет сжимать и деформировать волновод подобно прогибу нагруженной балки, закрепленной на обоих концах [21]. Изменение резонансных размеров волновода изменяет предельную частоту и, следовательно, скорость распространения, что приводит к изменению фазы. Для обеспечения хорошего согласования длину этих приборов делают равной нескольким длинам волн.

Типичный пример фазовращателя для частоты на волноводе сечением имеет прорезь длиной 635 и шириной Если волновод снабжен как растягивающими, так и сжимающими устройствами, позволяющими не только уменьшать, но и увеличивать его ширину, то фазовращатель может быть прокалиброван. На миллиметровых волнах общая длина сжимной

секции становится более приемлемой. Рис. 3.22 иллюстрирует фазовращатель для частоты на волноводе сечением Для уменьшения концевых отражений щели нагружены четвертьволновыми секциями; все устройство экранировано.

Рис. 3.22. Фазовращатель сжимного типа. Частота Сеченне волновода Щели оканчиваются четвертьволновыми секциями.

Хороший фазовращатель [13] получается с длинной диэлектрической пластиной, расположенной по оси волновода.

Рис. 3. 23. Фазовращатель с диэлектрическим крылом. Крыло можно изготовить из тефлона и укрепить на изолированных стержнях. Максимальный сдвнг фазы меняется от 192° на частоте до 209° на частоте лучше 1,02. (См. [62].)

Если такая пластина вводится через щель в центре широкой стенки волновода или перемещается от одной из узких стенок к центру волновода, то длина волны в волноводе уменьшается и возникает фазовый сдвиг. Диэлектрик должен быть материалом с малыми потерями, подобно тефлону или кварцу, и ему нужно придать форму, позволяющую уменьшать отражения. В конструкции Хэлфорда [62], показанной на рис. 3.23, вставка на каждом конце снабжена ступеньками, размеры которых выбраны так, чтобы коэффициенты

отражения от них были бы пропорциональны биномиальным коэффициентам Коэффициенты отражения от опор, расположенных перпендикулярно электрическому полю, имеют распределение Полный фазовращатель на волноводе сечения в диапазоне частот обладал КСВН, меньшим 1,02.

Новый фазовращатель, описанный Коллином [33], основан на том факте, что сумма коэффициентов распространения в пустом и полностью заполненном диэлектриком волноводе меньше суммы соответствующих коэффициентов для волновода с диэлектрической полоской в центре и волновода с двумя дополняющими боковыми полосками. Если фазовые постоянные будут соответственно и то смещение центральной диэлектрической пластины по оси на расстояние дает изменение фазы где

В реальном фазовращателе три диэлектрические пластины полностью заполняют поперечное сечение волновода. Если ширина волновода равна а, то оптимальная толщина центральной пластины будет 0,15 а. На частоте при а для значений диэлектрической проницаемости 2,54; 3,00 и 3,40 величины равнялись соответственно 0,4; 0,57 и 0,75 рад/см. Чтобы обеспечить КСВН меньше 1,05, коэффициент отражения от каждой неоднородности в рабочем диапазоне частот не должен превышать 0,006, и поэтому предпочтительны двух- или трехзвенные трансформаторы.

Тромбонный фазовращатель [1] состоит из подвижного -об-разного волновода, который может скользить внутри двух других волноводов, причем внешние размеры первого хорошо подогнаны к внутренним размерам последних. Ступеньки в волноводах согласуются обычными средствами. При сдвиге фаз на 360° общее механическое перемещение составляет полволны, поэтому необходима точная калибровка шкалы. Измерения, проведенные [33] с таким фазовращателем в диапазоне частот показали, что при сдвигах фаз вплоть до 360° отклонения от линейности не превышали ±0,6°.

В качестве фазовращателей могут использоваться и гибридные соединения [134, 265]. Например, если генератор включен в плечо Н (плечо 1) гибридного Т-образного соединения, показанного на рис. 3.16, а, то волны, ответвившиеся в главные плечи 2 и 3, в равно отстоящих от плоскости симметрии плоскостях будут иметь одинаковые фазы; если же питание осуществляется через Е (плечо 4), то сдвиг фаз этих волн составит величину 180°. Если далее в плечи 2 и 3 ввести два подвижных короткозамыкателя на расстояниях соответственно и от плоскости симметрии, то вся мощность, входящая в плечо 1, окажется на выходе плеча 4. Действительно, волна, поступающая в плечо 1, расщепляется в плечах 2 и 3 на две равные синфазные волны. Так как плечо 3 на четверть

волны длиннее плеча 2, то две отраженные волны приходят к плоскости симметрии со сдвигом фаз в результате чего в плече 1 они будут уничтожаться, в плече 4— суммироваться. Если длину обоих плеч 2 и 3 увеличить на то общая длина пути волны возрастет на в связи с чем фаза волны на выходе плеча 4 изменится на величину Подвижные короткозамыкатели вместо плеч

2 и 3 можно ввести в плечи 1 и 4, при этом такой же относительный сдвиг фаз получится на выходе плеча 3, если генератор присоединен к плечу 2.

Рис. 3. 24. Фазовращатель поворотного типа. Поворот центральной секции на угол 9 изменяет фазу на 20. Устройство может быть снабжено переходами на прямоугольный волновод. Для иллюстрации показаны различные формы плассии длиной к плечу 2.

В работе [177] показано, что нелинейности фазового сдвига и амплитудная модуляция являются явлениями второго и более высокого порядка, вызванными незначительными рассогласованиями в структуре. Небольшие ошибки могут также обусловливаться асимметрией конструкции, однако измерения на стандартных узлах, где плечи были согласованы винтовыми настроечниками, показали, что фазовый сдвиг линеен с точностью, лучшей, чем

Фазовращатель с плавным изменением фазы, предложенный Фоксом [52], показан на рис. 3.24. Он состоит в основном извращающейся полуволновой пластины, по обеим сторонам которой расположены четвертьволновые пластины. Последние при необходимости могут быть снабжены переходами с круглого волновода на прямоугольный. Волна с круговой поляризацией, создаваемая первой пластиной, проходит через полуволновую пластину, в результате чего меняется направление вращения плоскости поляризации. В выходной пластине эта волна опять преобразуется в линейно-поляризованную. Вращение полуволновой секции на угол

0 вызывает изменение фазы выходной волны на 20. Непрерывное вращение этой секции приводит к непрерывному опережению или запаздыванию фазы, а вращение с постоянной скоростью дает фиксированное увеличение или уменьшение частоты сигнала. Все эти свойства не зависят от направления распространения волны, поэтому, например, волна, отраженная от короткозамыкателя, подвергается удвоенному сдвигу фаз по сравнению с волной, совершившей однократное прохождение через устройство.

Можно показать, что фаза выходного напряжения устройства возбудителя с круговой поляризацией при падении на него поляризованной по кругу волны прямо пропорциональна углу поворота устройства относительно продольной оси. На этом принципе был разработан фазовращатель [155], в котором два устройства для возбуждения круговой поляризации с одинаковым направлением вращения помещались в круглом волноводе, причем одно из устройств имело возможность вращаться вокруг оси. Если являются осевыми отношениями возбудителей, то максимальная ошибка фазовращателя определяется выражением

где

Осевому отношению 2 дб соответствует ошибка около 1°. Если коэффициент отражения на каждом конце равен то

Значение КСВН на каждом конце, равное 1,2, дает ошибку около Г. Относительная модуляция принимаемого напряжения составляет из-за эллиптичности и из-за наличия стоячей волны. Практический фазовращатель со спиральными возбудителями мог вращаться с угловой скоростью длина его равнялась диаметр а ошибки [157] в диапазоне частот 3% не превышали 2°.